RU2231175C2

RU2231175C2 - Discrete loop-shaped diode shf phase inverter

Info

Publication number: RU2231175C2
Application number: RU2002125308/09A
Authority: RU
Inventors: Ю.Я. Ганьшин (RU); Ю.Я. Ганьшин; О.В. Кустов (RU); О.В. Кустов
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2004-06-20
Also published as: RU2002125308A

Abstract

FIELD: SHF radio engineering, modulators, phased arrays and other radio engineering devices.

SUBSTANCE: phase inverter comprises microstrip sections provided with diodes linking ends of loop and connected to it by means matching commutation element Matching commutation element comes in the form of short-circuited stub connected to center of loop via diode, is manufactured in sections of large discrete and sections of small discrete in the form of line across section linking via diode ends of loop with wave resistor exceeding wave resistance of basic line and loop by factor of 1.5-2.0.

EFFECT: reduced number of diodes, simplified design and enhanced functional reliability of phase inverter.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области СВЧ-радиотехники, в частности к широкополосным дискретным полупроводниковым СВЧ-фазовращателям, и может быть использовано в фазовых модуляторах, фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.The invention relates to the field of microwave radio engineering, in particular to broadband discrete semiconductor microwave phase shifters, and can be used in phase modulators, phase compensators, phased array antennas and other radio engineering devices for controlling the phase of electromagnetic waves.

Известны проходные широкополосные дискретные диодные СВЧ-фазовращатели, состоящие из фазосдвигающих разрядов на переключаемых отрезках линии передачи с различной электрической длиной для обеспечения задержки сигнала за счет конечной скорости распространения волны в линии и в результате для получения фазового сдвига-дискрета (см., например, книгу Хижы Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на р-I-n-диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984, с.168, рис.5.12).Pass-through wideband discrete microwave diode phase shifters are known, consisting of phase-shifting discharges on switched segments of a transmission line with different electric lengths to ensure signal delay due to the finite wave propagation velocity in the line and as a result to obtain a phase shift-discrete (see, for example, the book Khizhi G.S. et al. Microwave Phase Rotators and Switches: Features of Creation on p-In Diodes in Integral Design, Moscow: Radio and Communications, 1984, p.168, Fig. 5.12).

Основным недостатком таких фазовращателей является большое число диодов: 4 на разряд.The main disadvantage of such phase shifters is the large number of diodes: 4 per discharge.

Наиболее близким из известных аналогов заявляемого фазовращателя является дискретный диодный СВЧ-фазовращатель проходного типа, состоящий из секций в виде петли, снабженной соединяющим ее концы диодом и подключаемого к середине петли через второй диод при прохождении сигнала по укороченному отрезку пути через открываемый при этом соединяющий концы петли первый диод согласующего короткозамкнутого шлейфа (см. статью Горячева И.М., Сестрорицкого Б.В. Дискретный полупроводниковый фазовращатель змейкового типа на р-I-n-диодах. - Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. 1971 г., вып.10, с.3, рис.1).The closest known analogues of the inventive phase shifter is a discrete diode microwave phase shifter of the loop-through type, consisting of sections in the form of a loop equipped with a diode connecting its ends and connected to the middle of the loop through a second diode when the signal passes along a shortened path segment through the connecting connecting ends of the loop the first diode matching short-circuited loop (see article Goryacheva IM, Sestritsky BV Discrete semiconductor phase shifter of the snake type on p-In diodes. - Questions glad oelektroniki. Obshchetehnichesky Series. 1971 vyp.10, p.3, Figure 1).

Недостатком данного петлевого фазовращателя является сохранение относительно большого числа диодов на линии передачи.The disadvantage of this loop phase shifter is the preservation of a relatively large number of diodes on the transmission line.

Технический результат предлагаемого изобретения - сокращение количества диодов в линии передачи волны, упрощение конструкции и повышение надежности системы фазовращателей, а также экономия тока управления при эксплуатации фазовращателей с управляемыми фазовыми сдвигами.The technical result of the invention is to reduce the number of diodes in the wave transmission line, simplify the design and increase the reliability of the phase shifter system, as well as save control current during operation of phase shifters with controlled phase shifts.

Указанный технический результат достигается тем, что в дискретном петлеобразном диодном СВЧ-фазовращателе проходного типа, состоящем из микрополосковых секций, снабженных соединяющим концы петли диодом и связанным с ней коммутируемым согласующим элементом, коммутируемый согласующий элемент в виде подключенного к середине петли через диод короткозамкнутого шлейфа выполнен в секциях с большим дискретом (≥90°), а в секциях с малым дискретом (<90°) в виде линии на участке соединения через диод концов петли с волновым сопротивлением, превышающим в 1,5-2,0 раза волновое сопротивление основной линии и петли.The specified technical result is achieved in that in a discrete loop-shaped diode microwave phase shifter of the loop-through type, consisting of microstrip sections, equipped with a diode connecting the ends of the loop and a connected switching element connected to it, the switched matching element in the form of a short-circuit loop connected to the middle of the loop through the diode is made sections with large discrete (≥90 °), and in sections with small discrete (<90 °) in the form of a line in the connection section through the diode of the loop ends with wave impedance, exceeding 1.5-2.0 times the wave impedance of the main line and loop.

В фазовращателе-прототипе согласующий короткозамкнутый шлейф через диод подключен к середине петли в секциях как малых, так и больших дискретов, независимо от рекомендации применять два одинаковых диода (диод, коммутирующий шлейф, сравнивается с диодом, соединяющим концы петли) для скачков фазы ≥45°; более того, для меньших скачков фазы подключение коммутируемого шлейфа к середине петли конструктивно усложнено, в связи с чем выполнение коммутируемого согласующего элемента в виде подключенного к середине петли через диод короткозамкнутого шлейфа в секциях с большим дискретом (≥90°) является в сравнении с прототипом одним из изложенных в заявляемой формуле изобретения отличительных признаков.In the prototype phase shifter, a matching short-circuited loop through a diode is connected to the middle of the loop in sections of both small and large discrete, regardless of the recommendation to use two identical diodes (a diode switching a loop is compared with a diode connecting the loop ends) for phase jumps ≥45 ° ; moreover, for smaller phase jumps, the connection of the switched loop to the middle of the loop is structurally complicated, and therefore the design of the switched matching element in the form of a short-circuited loop connected to the middle of the loop in the diode in sections with large discrete (≥90 °) is one in comparison with the prototype of the distinctive features set forth in the claimed claims.

Кроме того, ограничение известного в уровне техники осуществления согласования в виде подключенного к середине петли через диод короткозамкнутого шлейфа большими дискретами (≥90°) в сочетании с перенесением функций согласования на малых дискретах (<90°) на сам отрезок линии между концами петли (с включенным в нем диодом), выразившемся в повышении экспериментально подобранного волнового сопротивления данного отрезка линии (в 1,5-2,0 раза) и предусмотренном увеличении емкостного сопротивления диода (на 15-20%), позволило обеспечить работоспособность заявляемого фазовращателя с иным режимом работы, доводом в пользу чего является снижение потерь фазовращателя в целом, сравнении с фазовращателем по прототипу, несмотря на незначительное увеличение потерь (примерно на 0,1 дБ) в секции с малым дискретом в заявляемом фазовращателе.In addition, the limitation of the implementation of matching, known in the prior art, in the form of a short circuit connected to the middle of the loop through a diode of a short-circuited loop (≥90 °) in combination with the transfer of coordination functions at small discrete (<90 °) to the line segment between the loop ends (s the diode included in it), expressed in an increase in the experimentally selected wave impedance of a given section of the line (1.5-2.0 times) and a stipulated increase in the capacitance of the diode (by 15-20%), made it possible to ensure operability awn inventive phase shifter with a different mode of operation, the reason for which is to reduce the loss of the phase shifter as a whole, compared with the prototype phase shifter, although a slight increase in loss (about 0.1 dB) in the section with small increments in the inventive phase shifter.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого фазовращателя, состоящего в представленном примере осуществления из четырех секций с дискретом: 22,5°; 45°; 90° и 180°, без указания элементов управления.The drawing shows a schematic diagram of the proposed phase shifter, consisting in the presented embodiment from four sections with a discrete: 22.5 °; 45 °; 90 ° and 180 °, without specifying controls.

Фазовращатель в данном примере состоит из двух секций с малым дискретом: 22,5° и 45°, и двух секций с большим дискретом: 90° и 180°. Секция с малым дискретом 22,5° (такое же устройство имеет секция с дискретом 45°) выполнена в виде петли 1, двух участков 2 линии, соединяющих ее концы, и включенного между этими участками диода 3, а также входного и выходного участков 4 и 5 основной линии передачи электромагнитной волны в районе секции. Секция с большим дискретом 90° содержит кроме петли 6 с соединяющим ее концы диодом 7 и входного и выходного участков 8 и 9 основной линии передачи, подключенный к середине петли 6 через диод 10 короткозамкнутый шлейф 11, при этом для согласования полудлина петли 6 и длина шлейфа 11 в сумме составляют электрическую длину, равную четверти длины волны (в секции с дискретом 180° шлейф отсутствует - согласование обеспечивается полудлиной петли).The phase shifter in this example consists of two sections with a small discrete: 22.5 ° and 45 °, and two sections with a large discrete: 90 ° and 180 °. A section with a small discrete of 22.5 ° (the same device has a section with a discrete of 45 °) is made in the form of a loop 1, two sections 2 of the line connecting its ends, and a diode 3 connected between these sections, as well as input and output sections 4 and 5 of the main transmission line of the electromagnetic wave in the area of the section. The section with a large discrete 90 ° contains in addition to loop 6 with the diode 7 connecting its ends and the input and output sections 8 and 9 of the main transmission line, a short-circuited loop 11 connected to the middle of the loop 6 through diode 10, while for matching the half-length of loop 6 and the length of the loop 11 total electric length equal to a quarter of the wavelength (in the section with a 180 ° discrete loop is absent - matching is provided by the half-length of the loop).

Фазовращатель работает следующим образом.Phaser is as follows.

В секции с малым дискретом, в частности с дискретом 22,5°, когда диод 3 открыт, сигнал проходит по входному участку 4 основной линии, затем разделяется, проходя через участки 2 и включенный между ними диод 3 и частично через петлю 1, после чего суммируется на выходном участке 5 основной линии; когда диод 3 закрыт, сигнал проходит по входному участку 4, петле 1 и выходному участку 5 основной линии, совершая соответствующий электрической длине петли 1 фазовый набег. В секции с большим дискретом, в частности с дискретом 90°, когда открыты диоды 7 и 10, сигнал проходит через входной участок 8, диод 7 и выходной участок 9 основной линии, когда закрыты диоды 7 и 10, сигнал проходит по входному участку 8, петле 6 и выходному участку 9 основной линии, совершая соответствующий петле 6 фазовый набег.In the section with a small discrete, in particular with a 22.5 ° discrete, when the diode 3 is open, the signal passes through the input section 4 of the main line, then it is separated, passing through sections 2 and the diode 3 connected between them and partially through loop 1, after which summarized at the output section 5 of the main line; when the diode 3 is closed, the signal passes through the input section 4, loop 1 and the output section 5 of the main line, making a phase advance corresponding to the electric length of the loop 1. In a section with a large discrete, in particular with a 90 ° discrete, when the diodes 7 and 10 are open, the signal passes through the input section 8, the diode 7 and the output section 9 of the main line, when the diodes 7 and 10 are closed, the signal passes through the input section 8, loop 6 and the output section 9 of the main line, making the corresponding phase 6 raid.

При этом экспериментально подобранная разница в волновом сопротивлении участков 2 (100 Ом) и основной линии, в частности участков 4, 5, 8, 9 и петли 1 (50 Ом) - в данном случае в 2 раза позволила обеспечить работоспособность фазовращателя в диапазоне частот 1450-1550 МГц с снижением общих потерь в сравнении с фазовращателем по прототипу (с согласующим шлейфом на малых и больших дискретах и минимальным использованием диодов - по два на секцию) с 2,0 дБ до 1,5 дБ при уменьшении общего КСВ с 1,5 до 1,3.In this case, the experimentally selected difference in the wave impedance of sections 2 (100 Ohms) and the main line, in particular sections 4, 5, 8, 9 and loop 1 (50 Ohms) - in this case, 2 times allowed us to ensure the operability of the phase shifter in the frequency range 1450 -1550 MHz with a reduction in overall losses compared with the prototype phase shifter (with matching cable at small and large discretes and the minimum use of diodes - two per section) from 2.0 dB to 1.5 dB with a decrease in the overall SWR from 1.5 up to 1.3.

Claims

A multi-section discrete loop-shaped diode microwave phase shifter, consisting of microstrip sections, made using a matching element in the form of a short-circuited loop connected to the middle of the loop through a diode and with the condition of obtaining small (<90 °) and large (≥90 °) discrete in series phase and equipped in each section connecting the ends of the loop with a diode and connected with it a switched matching element, characterized in that the sections with a small discrete are made with switched matching an element in the form of a line at the connection site through the diode of the loop ends with a wave resistance exceeding 1.5-2.0 times the wave impedance of the main line and loop, and the use in sections of the matching element in the form of a short-circuited loop connected to the middle of the loop through the diode is limited to large discrete.